Modificati drop test Torre di impatto per American Football Caschi

Summary

This article provides a novel technique to assess the performance characteristics of American football helmets by inclusion of faceguards during NOCSAE Standard drop tests. Additionally, two more impact locations are proposed to be added to the NOCSAE certification.

Abstract

A modified National Operating Committee on Standards for Athletic Equipment (NOCSAE) test method for American football helmet drop impact test standards is presented that would provide better assessment of a helmet’s on-field impact performance by including a faceguard on the helmet. In this study, a merger of faceguard and helmet test standards is proposed. The need for a more robust systematic approach to football helmet testing procedures is emphasized by comparing representative results of the Head Injury Criterion (HIC), Severity Index (SI), and peak acceleration values for different helmets at different helmet locations under modified NOCSAE standard drop tower tests. Essentially, these comparative drop test results revealed that the faceguard adds a stiffening kinematic constraint to the shell that lessens total energy absorption. The current NOCSAE standard test methods can be improved to represent on-field helmet hits by attaching the faceguards to helmets and by including two new helmet impact locations (Front Top and Front Top Boss). The reported football helmet test method gives a more accurate representation of a helmet’s performance and its ability to mitigate on-field impacts while promoting safer football helmets.

Introduction

Motivazione
L'obiettivo principale di questo metodo di prova torre di caduta modificata è quello di rappresentare più da vicino l'impatto sul campo del sistema di casco da football americano e promuovere gli standard di sicurezza migliorate. Il metodo di prova comportato in grado di fornire le conoscenze di caschi risposta sistematica necessario per sviluppare in modo efficace una maggiore copricapo per la prevenzione commozione cerebrale. Il verificarsi di traumi ha costantemente afflitto sport di contatto, come il football americano. Nei soli Stati Uniti, commozioni cerebrali relative allo sport sono stati stimati a verificarsi da 1,6 a 3,8 milioni di volte ogni anno. ¹ Un giocatore di calcio può avere più di 1.500 impatti testa ogni stagione. ^{2, 3} Mentre l'ampiezza della maggior parte degli impatti può essere sub-concussive, l'accumulo di questi impatti possono portare a danni cerebrali a lungo termine a causa di una malattia neurodegenerativa impatto indotto conosciuta come encefalopatia traumatica cronica (CTE). ⁴CTE è legata ad un accumulo di proteina tau nel cervello, con conseguente perdita di memoria, il comportamento e cambiamento di personalità, la sindrome di Parkinson, e di parola e anomalie dell'andatura che ha portato a volte al suicidio. ⁵ caschi di gioco del calcio hanno fatto alcuni progressi tecnologici negli ultimi 15 anni, ma i caschi più avanzati anche di oggi non completamente attenuare tutte le forze incidente sul casco e, di conseguenza, gli atleti ancora incorrere in traumi. Uno studio condotto da Bartsch et al. ⁶ ha mostrato che in molti casi la testa dosi di impatto e rischi di danni alla testa, mentre indossa i caschi Leatherhead epoca erano paragonabili a quelle di indossare i caschi 21 ^° secolo ampiamente utilizzati, che illustrano la necessità di migliorare la progettazione e collaudo standard di caschi da football. In particolare, la certificazione NOCSAE ⁷ non richiede l'faceguard da inserire nei test di caduta per il casco. La rigidità aggiunte dalla tsi Faceguard collegato al casco cambierebbe drasticamente la risposta meccanica complessiva. Il presente studio comporta un metodo per fornire più robusti standard di sicurezza casco che sarebbe servita come una forza trainante per promuovere più sicuri i disegni del casco.

sfondo
Trauma cranico Metriche
Le esatte meccanismi biologici legati alla commozioni rimangono non identificati. Mentre molto lavoro è stato fatto nel tentativo di quantificare le tolleranze trauma cranico da varie metriche di pregiudizio, del disaccordo nella comunità biomedica per quanto riguarda questi criteri. Questi meccanismi di lesioni dovrebbero riguardare diversi soggetti: accelerazione lineare, l'accelerazione di rotazione, la durata dell'impatto, e impulso. ^{8, 9, 10, 11} Diversi criteri di lesione sono state utilizzate per definire uno sbattimento come misura di accelerazione lineare. La tolleranza Curve Wayne State (WSTC) <sup class = "xref"> ^{12, 13, 14} è stato sviluppato per predire frattura cranica per incidenti automobilistici durante un impatto frontale definendo un confine curva di soglia per l'accelerazione lineare rispetto durata dell'impatto. WSTC ha servito come le basi per altri criteri di lesione, come il Severity Index (SI) ¹¹ e l'Head Injury Criterion (HIC), ¹⁵ che sono i due criteri più comunemente usati. Il SI e HIC sia misura di gravità impatto sulla base di integrali ponderati dei profili di accelerazione-tempo lineare. Mentre questi criteri definiscono soglie per accelerazione lineare, altri criteri sono stati proposti per spiegare l'accelerazione rotazionale, come l'indice testa d'urto alimentazione. ^{8, 10, 16} campioni di prova casco di oggi spesso utilizzano un criterio di lesioni sulla base dello Stato Wayne aLLERANZA Curve (cioè HIC o SI) o il criterio picco di accelerazione o in alcuni casi entrambi. Mentre alcune modifiche sono necessarie per aggiungere accelerazione angolare ai criteri di prestazione standard i criteri di accelerazione basata lineari rimangono dominante.

In questo studio, le metriche utilizzate per valutare la relativa sicurezza che ogni casco previsto sono stati i picchi risultanti accelerazioni, i valori SI e HIC. Di questi parametri solo il SI è utilizzato per la valutazione della corrente Comitato Operativo nazionale relativo alle norme sulle norme Athletic Equipment (NOCSAE) casco di calcio. Il SI si basa sulla seguente equazione,

(1)

dove A è l'accelerazione di traslazione del centro di gravità (CG) della testa, e t è la durata di accelerazione. ^{11, 17} SI è stato calcolato in base tO standard NOCSAE ^18, in cui il calcolo è limitato da una soglia del 4 G lungo la curva di accelerazione risultante. I valori HIC sono stati calcolati con la seguente equazione,

(2)

dove a è l'accelerazione traslazionale del baricentro della testa, e T ₁ e T ₂ sono i tempi iniziale e finale, rispettivamente, l'intervallo in cui HIC raggiunge un valore massimo. Tutti i valori HIC calcolati in questo studio erano HIC _36, in cui la durata dell'intervallo di tempo è limitato a 36 ms.

NOCSAE Football Helmet Norme di prova
NOCSAE Panoramica
Nel 1969 NOCSAE è stata costituita per sviluppare standard di prestazione per American caschi da football / faceguards e altre attrezzature sportive, con l'obiettivo di ridurre le lesioni legate allo sport. ¹7 Le norme casco di calcio NOCSAE sono stati sviluppati dal Dr. Voigt Hodgson ⁹ della Wayne State University di ridurre le lesioni alla testa attraverso la definizione di requisiti per l'attenuazione dell'impatto e l'integrità strutturale per il calcio caschi / faceguards. Questi standard casco di calcio comprendono una prova di certificazione e procedure di ricertificazione annuale per caschi. Nel 2015, NOCSAE implementato un programma di garanzia di qualità che richiedono l'uso di uno specifico American National Standards Institute (ANSI) organismo accreditato per la certificazione casco.

Metodo di prova NOCSAE
Il NOCSAE Football Helmet standard non include la sperimentazione di caschi con faceguards come si chiede per la loro rimozione prima che si svolgono gocce casco. Le norme di prova NOCSAE casco ¹⁷ utilizzano un dispositivo di simulazione calo a due fili che si basa su gravità per accelerare il simulacro di testa e combinazione di casco alle velocità di impatto richiesti. La sagoma della testa NOCSAE è strumentato waccelerometri triassiali esima al baricentro. La combinazione simulacro di testa e il casco è poi sceso a velocità specifiche su un incudine acciaio rivestito con un tampone di 12,7 millimetri di spessore di gomma dura modulare elastomero Programmer (MEP). Al momento dell'impatto, l'accelerazione istantanea viene registrata e valori SI vengono calcolati. Questi valori SI vengono confrontati con un pass / fail criterio su una varietà di posizioni richieste impatto e velocità e due temperature, tra ambiente e impatti ad alta temperatura. Se il valore risultante SI per qualsiasi impatto supera la soglia, allora il casco non passerà il test.

Un metodo di prova standard separato viene utilizzato per la certificazione di calcio faceguard. Lo standard NOCSAE calcio faceguard include l'analisi strutturale integrità e valutando l'impatto sulle prestazioni di attenuazione del faceguard, sottogola, ed i loro sistemi di fissaggio. per superare la prova, senza contatto facciale e no me Ogni misurazione impatto deve essere inferiore a 1,200 SIfallimento meccanico di qualsiasi componente, come definito dal NOCSAE standard. ¹⁹

C'è un test proposto ulteriori NOCSAE (Linear Impactor (LI)) ²⁰ che include il casco con la faceguard, ma non è appropriato per la certificazione calcio casco perché non può ammettere un effetto corona. Il LI utilizza un pistone pneumatico di impatto un casco posizionato su un simulacro di testa NOCSAE dotato di un ibrido III collo manichino montato su un tavolo cuscinetto lineare per indurre accelerazione angolare. Per questo motivo il test LI è un test supplementare al due fili NOCSAE procedura prova di caduta di corrente e non una sostituzione. ^{20, 21} invece delle prove di LI, si propone di aggiungere semplicemente altri due scenari per l'attuale procedura test di caduta a due fili.

Il metodo di prova standard per la certificazione NOCSAE di caschi da football attualmente comprende sei loca impatto prescrittozioni e un punto d'impatto casuale. Le posizioni d'impatto prescritte sono i seguenti: Anteriore (F), anteriore Boss (FB), laterale (S), posteriore (R), mozzo posteriore (RB), e superiore (T). La prova di impatto posizione casuale può selezionare una regione da qualsiasi punto all'interno dell'area di impatto accettabile definita del casco. Le posizioni di impatto per i nostri test torre NOCSAE goccia modificati comprendono la sostituzione delle sedi di impatto frontale e anteriore Boss definite in precedenza con quello che è stato nominato come il Fronte Top (FT) e le località di impatto frontale superiore Boss (FTB). Le nostre sedi anteriore superiore e anteriore Top Boss impatto sono identiche alle posizioni di impatto frontale e anteriore destro Boss della norma NOCSAE per Lacrosse caschi, che comprendono anche il faceguard per test di caduta. ²² Le posizioni di impatto calotta del casco, tra cui le posizioni anteriori e Front Boss sostituiti, sono descritte nella Figura 1. Inoltre, il metodo di prova casco modificata del nostro studio attuale comprende due IMPAC faceguardluoghi t che sono stati nominati il ​​Fronte FG e FG inferiore. I due impatti Maschere posizioni sono identiche alle posizioni di impatto richieste per gli attuali procedure di certificazione faceguard NOCSAE. Gli otto posizioni di impatto per le prove d'urto NOCSAE modificate del presente studio sono mostrati nella Figura 2.

Figura 1: posizioni approssimative impatto per caschi da football. I sei attualmente richiesto NOCSAE posizioni di prova casco goccia impatto, frontale (F), anteriore Boss (FB), laterale (S), Top (T), posteriore (R), e mozzo posteriore (RB), e le due proposte di posizioni di impatto , anteriore superiore (FT), e Front Top Boss (FTB). Nota: il metodo di prova standard per NOCSAE copricapo protettivo non include frontale superiore e le posizioni di impatto frontale superiore Boss (indicato in rosso) e per questo studio si sostituiscono le posizioni di impatto frontale e anteriore Boss. (Immagine modificata da NOCSAE DOC. 001-13m15b) <ahref = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53929/53929fig1large.jpg" target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Modificato NOCSAE messa a punto test di caduta che mostra otto sedi di impatto. Fronte Superiore, Fronte Top Boss, laterale, Faceguard (FG) anteriore, posteriore, mozzo posteriore, superiore e inferiore Faceguard (FB). Nota: lo standard NOCSAE non include attaccamento faceguard e qui Fronte Top e Front Top Boss sostituire le posizioni standard di impatto frontale e anteriore Boss. (Immagine modificata da NOCSAE DOC. 002-11m12) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

disegni casco hanno progressivamente cambiato negli ultimi dieci anni, considerando che le norme del casco di calcio NOCSAE non hanno mai incluso la faceguard con la hElmet nel valutare le specifiche di rendimento casco di calcio. Mentre, di recente una modifica è stata fatta per includere un pass / fail valore di 300 SI per il minimo impatto di velocità (3,46 m / s), il passaggio generale / fail limite di 1.200 SI non è cambiato dal 1997. ¹⁷ Prima del 1997, il NOCSAE utilizzato un 1500 SI pass / fail criterio. Hodgson et al. (1970) ha dimostrato che i valori SI superiori a 1.000 è un pericolo per la vita, mentre i valori SI su 540 hanno prodotto fratture del cranio lineari nei test non caschi impatto cadavere. ²³ La maggior parte dei caschi da football moderne hanno dimostrato di passare ben al di sotto del limite di 1.200 SI, ma non tutti al di sotto 540 SI.

Protocol

Nota: Il protocollo per il metodo di prova presentato fa riferimento ai seguenti documenti NOCSAE (disponibili a http://nocsae.org/): NOCSAE DOC.002-13m13: "PRESTAZIONI STANDARD SPECIFICHE PER caschi da football di nuova produzione" 18. NOCSAE DOC.011-13m14d: "I produttori GUIDA REGOLAMENTARE di scelta del campione PRODOTTO PER PROVE NOCSAE standard" 24. NOCSAE DOC.087-12m14: "metodo standard di PROVA DI IMPATTO E PRESTAZIONI REQUISITI PER CALCIO FACEGUARDS" <sup …

Representative Results

Una dettagliata analisi quantitativa dei risultati per questa metodologia è stato presentato da Rush et al. (presentate) Una sintesi dei risultati e l'efficacia associata di una metodologia di test casco faceguard-shell accoppiato viene visualizzato nei risultati del test di caduta con Rawlings Quantum Inoltre, Riddell 360, Schutt Ion 4D, e caschi X2 Xenith come esempi. Ognuno di questi caschi (di dimensione "grande") con faceguards visualizzati risulta…

Discussion

La metodologia riferito che le coppie NOCSAE prove di impatto casco di calcio e rilasciare faceguard offre una tecnica unica per valutare meglio le caratteristiche di prestazione dei moderni caschi da football. Le fasi più critiche per valutare questo meglio prestazione caratteristica moderni calcio caschi sono i seguenti: 1) impostare correttamente il dispositivo di prova meccanica; 2) condurre con precisione le procedure di calibrazione; e 3) fissare correttamente il casco / faceguard alla sagoma della testa.

<p …

Materials

PCB Triaxial Accelerometers	PCB	Model 353B17
TDAS2 Data Acqusition System	Diversified Technical Systems, Inc.	TDAS2	Or an equivalent Data Acquisition System
Current Source (Amplifier)	Dytran Instruments, Inc.	4114B1	Or equivalent
Velocity gate and flag	CADEX	SB203	Or an equivalent velocimeter
Selected Football Helmet(s)/faceguard assem.			including chinstrap and faceguard hardware
Height Gauge
Torque wrench	Snap-on	QD21000	range to 200 in/lb minimum, 5 % accuracy
Twin-wire Guide Assembly
Drop Carriage	SIRC	1001
1/2" MEP Testing Pad	SIRC	1006
1/8" Faceguard Testing Pad	SIRC	1007
3" MEP Calibration Pad	SIRC	1005	Including Annual NOCSAE Calibration Pad Qualification Report
3/8" Hook-eye Turnbuckle	SIRC	1043	Forged Steel with a 6" take-up
1/8" Wire Rope Thimble	SIRC	1044
1/8" Spring Music Wire	SIRC	1045
1/8" Wire Rope, Tiller Rope Clamp, Bronze	SIRC	1046
3/8" 16 x 3 “ Eye Bolt	SIRC	1041
3/8" Forged Eye Bolt	SIRC	1040
Right Angle DC Hoist Motor	SIRC	2000
Single Groove Sheave (Pulley), 3 ¾"	SIRC	2002
Top Mount Plate	SIRC	2003
18" Top Channel Bracket	SIRC	2004
Wall Mount Channel Bracket, 4' x 1 5/8"	SIRC	2005
Mechanical Release System	SIRC	2006
Lift Cable, Wire Rope, 20' Coil	SIRC	2007
Anvil Base Plate	SIRC	2010
Anvil	SIRC	2011
Headform Adjuster	SIRC	2012
Headform Rotator Stem	SIRC	2013
Headform Threaded Lock ring	SIRC	2016
Headform Collar	SIRC	2014
Nylon Bushing	SIRC	1803
Small Headform	SIRC	1100
Medium Headform	SIRC	1101
Large Headform	SIRC	1102
Taper-Loc Bolt
DC Motor Speed Controller (Reversible)	SIRC	2001